【為什麼我們要挑選這篇文章】半導體材料以「矽」為主，然而矽基半導體具有功耗高、切換頻率低等缺點，但 5G 產品又有高功耗、高頻等特性，為了提升 5G 效能，「氮化鎵」成為 5G 時代的重要材料，也是台灣代工廠的關鍵領域！（責任編輯：郭家宏）
蘋果 iPhone X 採用 3D 感測技術後，半導體材料砷化鎵因 VCSEL 等應用而聲名大噪，近來隨著 5G、電動車等新應用興起，對功率半導體需求增溫，新一代材料氮化鎵（GaN）挾著高頻率等優勢，快速攫獲市場目光；台廠繼站穩矽晶圓代工、砷化鎵晶圓代工龍頭地位後，也積極搶進氮化鎵領域，力拚再拿代工龍頭寶座。
矽基半導體切換頻率低，氮化鎵具有高頻優勢
半導體材料歷經 3 個發展階段，第一代是矽（Si）、鍺（Ge）等基礎功能材料；第二代開始進入由 2 種以上元素組成的化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表；第三代則是氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等寬頻化合物半導體材料。
目前全球絕大多數半導體元件，都是以矽作為基礎功能材料的矽基半導體，不過，在高電壓功率元件應用上，矽基元件因導通電阻過大，往往造成電能大量損耗，且在高頻工作環境下，矽元件的切換頻率相對較低，性能不如寬頻化合物半導體材料。
矽基半導體受限矽材料的物理性質，而氮化鎵、碳化矽則因導通電阻遠小於矽基材料，導通損失、切換損失降低，可帶來更高的能源轉換效率。挾著高頻、高壓等優勢，加上導電性、散熱性佳，元件體積也較小，適合功率半導體應用，近來在 5G、電動車等需求推升下，氮化鎵等材料崛起成為半導體材料明日之星。
不過，其實氮化鎵材料廣為人知，是始於 LED 領域，1993 年時，日本日亞化學的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN），開發出具高亮度的藍光 LED，人類也因此湊齊可發出三原色光的 LED。
擁有高頻優勢，氮化鎵是 5G 時代的理想半導體材料
LED 領域發光發熱後，近來受惠 5G、電動車應用推升，對高頻率、高功率元件需求成長，市場對氮化鎵的討論聲浪再度高漲。氮化鎵主要應用於 600 至 1000 伏特的電壓區間，具備低導通電阻、高頻率等優勢，可在高溫、高電壓環境下運作，但主要優勢仍在於高頻率元件，在高壓與高功率表現上，雖優於矽基材料，但不如碳化矽材料表現亮眼。
從應用面來看，氮化鎵應用包括變頻器、變壓器與無線充電，為國防、雷達、衛星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設備的理想功率放大元件。
由於 5G 技術採用更高的操作頻率，業界看好，GaN 元件將逐步取代橫向擴散金氧半導體（LDMOS），成為 5G 基地台主流技術；且在手機功率放大器（PA）方面，因 GaN 材料具備高頻優勢，未來也可望取代砷化鎵製程，成為市場主流。
現行的 GaN 功率元件，以 GaN-on-Si（矽基氮化鎵）、GaN-on-SiC（碳化矽基氮化鎵）2 種晶圓為主，雖然 GaN-on-SiC 性能相對較佳，但價格大幅高於 GaN-on-Si，也使 GaN-on-Si 仍為目前市場主流，主要應用於電力電子領域，未來可望大幅導入 5G 基地台的功率放大器 （PA）。
5G 時代半導體革命，台灣代工廠絕不缺席
從台廠進度來看，磊晶矽晶圓廠嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶矽晶圓，已進入國際 IDM 廠認證階段，並爭取新訂單中；而同屬漢磊投控集團的晶圓代工廠漢磊科，則已量產 6 吋 GaN on Si 晶圓代工，瞄準車用需求；晶圓代工龍頭台積電也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圓代工服務。
至於 GaN-on-SiC 磊晶晶圓，則在散熱性能上具優勢，適合高溫、高頻操作環境，主要應用在功率半導體的車用、工業與消費型電子元件領域，少量應用於通訊射頻領域。目前 GaN-on-SiC 晶圓可做到 4 吋與 6 吋，未來可望朝 8 吋推進，惟磊晶技術主要集中在碳化矽晶圓大廠 Cree 手中，其在 SiC 晶圓市占率高達 6 成之多，幾乎獨霸市場。
不過，在晶圓代工產能方面，三五族半導體晶圓代工廠穩懋已開始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工服務，應用瞄準高功率 PA 及天線；而環宇 – KY 也擁有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 產能，且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工產能已通過認證。
晶圓代工廠世界先進也在 GaN 材料上投資超過 4 年時間，持續與設備材料廠 Kyma、及轉投資 GaN 矽基板廠 Qromis 攜手合作，著眼開發可做到 8 吋的新基底高功率氮化鎵技術 GaN-on-QST，今年可望有小量樣品送樣，初期主要瞄準電源領域應用。
5G 應用推升氮化鎵材料需求，而除站穩矽晶圓代工龍頭、砷化鎵晶圓代工龍頭寶座外，台廠在第三代半導體材料上，當然也不能缺席，包括矽晶圓代工廠、三五族半導體晶圓代工廠，均積極佈局氮化鎵領域，以迎接 5G 時代下的半導體材料新革命。
（本文經合作夥伴 鉅亨網 授權轉載，並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題，原文標題為〈〈觀察〉繼矽晶圓、砷化鎵後 氮化鎵成台廠下一個競逐的代工龍頭戰場〉。首圖來源：Pexels CC Licensed）
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